哈尔滨工程大学的研究团队在2017年7月于《中国激光》（*Chinese Journal of Lasers*）第44卷第7期发表了一项原创性研究，题为《基于石墨烯三元复合材料的双波长孤子激光器》（*Dual-wavelength soliton laser based on graphene ternary composite*）。该研究由郭波、欧阳秋云、李施、方再金、王鹏飞共同完成，团队成员均来自哈尔滨工程大学纤维集成光学教育部重点实验室。

学术背景

孤子激光器（soliton laser）是激光领域的重要研究方向，其在光通信、非线性光学和光纤传感等领域具有关键应用价值。多波长孤子激光器因脉冲宽度短、峰值功率高等特性受到广泛关注，但其实现通常需要同时使用锁模器（mode locker）和滤波器（filter），技术复杂度高。石墨烯（graphene）因优异的饱和吸收特性（饱和吸收体, saturable absorber）和三阶非线性光学效应（third-order nonlinear optical effect），被视为潜在的多功能锁模材料。然而，纯石墨烯的非线性折射系数有限，传统方法需依赖拉锥光纤增强非线性，但工艺难度大且波长间隔调控受限。为此，本研究提出通过石墨烯三元复合材料（石墨烯/二氧化锡/聚苯胺, graphene/SnO₂/PANI film）的协同效应，同时实现锁模和波长滤波功能。

研究流程

1. 材料制备与表征

研究团队采用液相超声法制备石墨烯三元复合材料。具体流程为：
- 石墨烯/SnO₂复合：将石墨烯与氯化亚锡在酸性环境下超声反应，经退火处理得到核壳结构复合材料。
- 聚苯胺（PANI）引入：通过原位聚合将苯胺与氧化剂在低温下反应，与石墨烯/SnO₂复合后离心干燥，最终形成graphene/SnO₂/PANI粉末。
- 薄膜制备：将复合材料分散于PVDF（聚偏氟乙烯）溶剂中，旋涂成透明薄膜（厚度20–30 μm），并通过SEM（扫描电子显微镜）验证其均匀性（图1）。

2. 器件制作与非线性测试

将薄膜剪裁为1 mm²小块并粘贴于光纤端面，组装成可饱和吸收器件（图2）。通过功率相关透射法（功率计与锁模激光器配合）测试非线性吸收特性，结果显示：
- 饱和强度（saturation intensity）为1.28 GW/cm²，调制深度（modulation depth）为2.64%，非饱和损耗（non-saturable loss）为9.8%（图3）。

3. 激光器构建与实验

采用环形腔光纤激光器（图4），关键组件包括：
- 掺铒光纤（EDF, 5 m）、单模光纤（SMF, 90 m）、偏振控制器（PC）和石墨烯器件。腔内净色散为-2 ps²。
- 锁模启动：抽运功率达105 mW时实现自启动锁模；在300 mW时通过调节PC获得双波长孤子脉冲。

4. 性能测试与分析

• 光谱特性：双波长中心位于1532 nm和1557.6 nm，分别对应0.8 nm和2.1 nm的3 dB带宽，并伴有凯利边带（Kelly sideband）（图5a）。
  
• 脉冲特性：脉宽1.25 ps（自相关仪测量），重复频率2.13 MHz，单脉冲能量1.51 nJ，峰值功率1.2 kW。时间带宽积（time-bandwidth product）为0.328，表明存在轻微啁啾（图5b）。
  
• 稳定性：14小时内光谱无明显漂移（图5c）。
  
• 可切换性：通过调节PC可切换为单波长输出（1532 nm或1557.6 nm）（图6）。
  

主要结果与结论

1. 双功能器件验证：石墨烯三元复合材料兼具锁模和滤波功能，其高非线性效应等效于长距离高双折射光纤，简化了多波长激光器结构。
   
2. 性能优势：与碳纳米管（CNT）、拓扑绝缘体（Bi₂Te₃）等材料相比（表1），该研究实现了更宽波长间隔（25.6 nm）和更高脉冲能量（1.51 nJ）。
   
3. 机理分析：薄膜厚度（20–30 μm）导致的高非线性是双波长稳定的关键，但过厚材料也增加了锁模阈值（105 mW）。
   

研究价值与亮点

• 科学价值：首次将石墨烯三元复合材料应用于孤子激光器，证明了其在非线性光学中的协同增强效应。
  
• 应用价值：为多波长激光器设计提供了新材料方案，潜在应用于波分复用（WDM）通信系统。
  
• 创新点：
  
  • 材料设计：通过金属纳米粒子（SnO₂）和聚合物（PANI）的复合提升石墨烯的非线性性能。
    
  • 器件简化：单一器件实现锁模与滤波，避免传统拉锥工艺的复杂性。
    

其他发现

研究还指出，其他二维材料（如黑磷、六方氮化硼）可能具有类似的多波长调控潜力，为未来研究提供了方向。

本研究的核心突破在于通过材料创新解决了多波长孤子激光器的技术瓶颈，为超快光子学器件开发提供了新思路。